Category Archives: 電的旅程

「第十一章:：電腦」

        ＜現代電腦的框架 ( 3 )＞……續上

        EDVAC成功後，莫渠利和艾科特離開了學校，創立自己的公司，加速了電腦工業的演變。他們在1964年拿到了屬於兩人的ENIAC設計專利權，不過在1973年，法庭推翻了ENIAC專利的合法性，裁定ENIAC的設計是阿塔那索夫電腦概念的延伸，但因阿塔那索夫沒有申請專利，所以最後把電腦設計專利權開放為「公用域」（public domain）。

        另一方面，馮諾伊曼在1945年發表了EDVAC初步設計文件，除了整個電腦框架外，還第一次詳細解釋了內儲程式的概念。在這份重要的文件上，他把自己當作唯一的作者，完全不提莫渠利及艾科特，因而引起極大的爭論。

        日後，這四人之間充斥了恩怨紛爭，但在電腦技術的高速發展中已不重要。這四個人對早期全電子電腦技術的發展，都立有大功，而在這個過程中，美國陸軍部投資的ENIAC及EDVAC計畫非常有關鍵性，這兩個計畫把全電子電腦技術推到了「臨界點」。很多有前瞻性、高風險、投資額高的技術發展，因報酬率的不確定性很大，私人企業常望而卻步，有了政府的介入，有時可解除這個盲點。無論在電腦、電報或雷達的發展史上，都是如此。…… (待續)

「第十一章:：電腦」

        ＜現代電腦的框架 ( 2 )＞……續上

        莫渠利從阿塔那索夫處看到了二進制的優勢，但不知為何，在設計ENIAC時卻選擇了十進制。（是要避免過分抄襲阿塔那索夫的設計嗎？）非常明顯的，用二進制設計電腦，在邏輯及計算效率上可有極大提升，同時所需用的三極管數目也可減少。雖然沒有解決三極管數量問題，但至少減輕了問題的嚴重性。當然，最理想及最徹底的解決辦法是發展比真空三極管更可靠、快速，及便宜的電子開關元件。

        從ENIAC大家已明確的看到，電腦發展的瓶頸及功能盡繫於能用上更多的記憶體容量及電子開關。一架用100萬或1億枚三極管組成的電腦，可以擁有多少不可思議的功能？有可能嗎？令人想像不到的是，這個夢想在不到三十年的時間內就達成並超越了。

        從EDVAC開始，所有電腦設計基本上都採用了二進制，再配備電子開關來執行二進位代數及邏輯；最後再加上馮諾伊曼的內儲程式及系統設計──這些基本概念確立了現代電腦的框架。在1946年，賓州大學舉辦了一次學術性的暑期班，邀請了政府、私人企業及多個研究中心負責電腦發展的專家，雲集一堂，分享了這些知識，揭開了現代電腦的新紀元。硬體的發展同時帶動了軟體技術的高速成長。新的「系統軟體」，統籌著電腦上各部位複雜而有效的運轉；另一類「應用軟體」，則指示電腦如何依照聰敏的數學及邏輯程序，來處理各種輸入的資訊，再把處理過的答案輸出，供作應用。…… (待續)

「第十一章:：電腦」

        ＜現代電腦的框架 ( 1 )＞

        ENIAC雖然成功了，但還存在三個重大的缺陷。首先電腦中的記憶體容量嚴重不足，很多電腦的重要潛能得不到發揮。其次是ENIAC所執行的軟體程式都必須用外在的電線接頭及開關位置來控制，需要改變程式時非常緩慢不便，又易出錯。最後是ENIAC用了太多真空三極管，無論是體積、耗電量或價格都太高，而可靠度又低。當時三極管的平均壽命雖已達3,000小時，但因使用的數目龐大，艾科特用統計學預測，每10分鐘就會有一只損壞；事實上，ENIAC開始運轉時，每28秒就有三極管損壞，可靠度極低。這些弱點在發展ENIAC的中途，就已經很明顯了，所以莫渠利的團隊在1945年ENIAC還沒有完成前，就已開始設計一架改良的電腦，代號EDVAC，同時又開始發展一種新的記憶體技術來取代真空管，解決第一個基本問題。

        在ENIAC發展的過程中，哥斯汀中尉找來了附近普林斯頓大學鼎鼎有名的數學教授馮諾伊曼（John von Neumann）。他看了ENIAC的設計後，有所覺悟，提出了把電腦運算的各種軟體程式儲存在計算機內部的記憶庫中，稱作「內儲程式」（stored program）方式，這是一個電腦設計上革命性的概念。從此電腦要轉變操作程序，可以非常快速有效率。馮諾伊曼的新概念大大提高了電腦的全面功能及靈活性，這個新設計後來應用在EDVAC上，徹底解決了ENIAC所遭遇的第二個程式輸入問題。…… (待續)

「第十一章:：電腦」

        ＜電子巨無霸 ( 5 )＞……續上

        整個計畫在1944年開始，這個新的電子計算機命名為ENIAC（electronic numerical integrator and computer）。莫渠利、艾科特及整個團隊全力投入了ENIAC的發展。其間，莫渠利還多次專程去拜訪了當時任職海軍武器研究所的阿塔那索夫，請教了不少問題。但莫渠利從來沒有提起ENIAC計畫，以後也從未向阿塔那索夫表達道謝或分享任何成就。

        莫渠利的團隊花了兩年多時間，才完成ENIAC，當時已是1946年，戰爭已經結束。所以ENIAC在戰時沒有發生作用，但在電腦發展的里程碑上卻占著一個很重要的地位。ENIAC是一個巨無霸，整架電腦共用了17,468枚真空三極管，有五百多萬個焊接點，全重30噸，耗電160千瓦。在運轉時，ENIAC每秒鐘可執行5,000次加減運算，或357次乘除，比哈佛Mark I運算速度快了一千多倍！到此，全電子大型計算機的可行性及前景已非常明確，新的電子計算機功能全面，配上各種軟體程式，已可應用到解答多類複雜問題，不再限於計算，所以自此電子計算機應正名為「電腦」。…… (完)

「第十一章:：電腦」

        ＜電子巨無霸 ( 4 )＞……續上

        他們寫好建議書後，開始接觸軍方，希望可以得到資助。當時戰事正酣，美軍專門測試各種新開發大砲及彈導軌跡的亞伯丁（Aberdeen）試驗場，離賓州大學不過一小時車程。砲彈試驗場的職責之一，是計算各種大砲在不同條件下瞄準目標所需的數據，用來精確控制砲彈落點。當時有三百多種新大砲及砲彈，在等待精確計算的結果。

        試驗場雖有兩百多位專責計算的人員及多架機電計算機，但仍來不及完成任務，工作壓力日增。試驗場專門負責與大學作技術聯絡的官員哥斯汀（Herman Goldstine）中尉，看到莫渠利的建議書，覺得值得一試。他努力從美國陸軍的彈道研究所爭取到五十萬美金，來資助此計畫，希望這架超高性能的全電子計算機，可用來快速運算出各種砲彈的飛行軌跡。從這件事可以看出，美國在戰時發展電子計算機，不是像雷達那樣大規模的策略性投資，而是為解決一個專門性技術問題的中型研究計畫。…… (待續)

「第十一章:：電腦」

        ＜電子巨無霸 ( 3 )＞……續上

        莫渠利花了一星期時間，仔細研究了阿塔那索夫的設計。雖然這只是一架小規模的計算機，只用了280枚真空三極管，但在設計中應用了兩個重要的新概念。第一個創新是所有的數據都用「二進位」來代表，一切資訊都是1與0的組合。第二個創新是所有二進位的邏輯、計算處理、儲存，都用電子開關方法來執行，而這些方法的原理是根據1854年英國數學家布耳（George Boole）所發明的「布耳代數」，有效的將數學及邏輯在二進位的基礎上合而為一。阿塔那索夫在1942年被徵召去海軍發展聲納技術，未能把電子計算機研究繼續下去。他委託學校代為申請專利，結果學校沒有跟進。

        莫渠利從阿塔那索夫處回去後，對發展全電子計算機有了新的想法。1942年莫渠利加入了附近的賓州大學的工學院，並結識了電機部研究生艾科特。艾科特是一個傑出的年青工程師，在系統與電路設計上都超人一等。莫渠利和艾科特兩人都存著雄心壯志，要在電子計算機的發展上有一番作為。在1942到43年間，兩人詳細設計了一架大規模的通用（general purpose）全電子的計算機，所有運算及儲存功能都用三極管電路完成，而計算程序可由外界輸入的軟體控制。…… (待續)

「第十一章:：電腦」

        ＜電子巨無霸 ( 1 )＞

        真空三極管的發明，使得電子的功能可以應用到計算機上。三極管擁有用電子訊號控制「開關」的性能，極適合用於高速執行數位型的邏輯及算術運作。1919年，英國工程師埃可斯（W. H. Eccles）及佐敦（F. W. Jordan）用三極管示範了一個簡單的電路叫「正反器」（flip-flop），這是執行數位型邏輯與儲存訊息最基本的功能。在1920年代真空管價格昂貴，而每架計算機對真空管的需要數量很大，簡單的系統也需要幾百件、甚至數千件。所以用真空管來做全電子的計算機，只能是一個夢想。

        不過隨著收音機的普及，真空管的價錢開始下跌，功能及可靠度也有進步。從1930年代開始，很多人已開始小規模的把真空管應用到計算機上去，包括德國的計算機先驅朱賽（Konrad Zuse）及美國的阿塔那索夫（John Atanasoff）教授。由英國國防部資助發展的Colossus電子計算機，用上了1,500枚真空三極管，在破解德軍密碼的過程中立下大功。但Colossus一直被列為最高機密，技術上的詳細資料到今日還沒有完全解密，所以雖然先進，但對當時計算機技術的發展，直接影響並不大。…… (待續)

「第十一章:：電腦」

        ＜計算機＞

        電腦嚴格來說不是一項電子產品，而是一個專門用來按程序作運算的工具。大家熟悉的算盤可看成是一架簡單的計算機——在東漢末年中國已有記載，在北宋更發展了十進位的算盤。

十九世紀初，英國數學家巴貝奇（Charles Babbage）設計了複雜的機械計算機，稱為「差分機」（difference engine），專門應用在快速運算大量不斷重複的計算問題上，譬如計算函數表或分析人口統計數據。經過將近一百年的發展，到1940年代初，無論在英國、德國及美國，計算機的發展都已有相當規模。計算機在軍事上擁有巨大的潛力，可用來破解密碼、高速計算砲彈軌跡，或即時規畫複雜的物流運籌。

早期計算機功能都用聰敏的機械方式來達成。到二十世紀初，有了精確高速的馬達後，很多邏輯及計算的功能轉而用「機電」（electro-mechanical）辦法，最有代表性的就是哈佛大學的Mark I機電計算機，每秒鐘可進行三次多位數的加減運算。

「第十一章：電腦」

        真空三極管的發明，很快解決了長途電話的技術問題，接著帶來了收音機、電視機、雷達及無線電導航等技術。在1940年代中，真空電子還觸發了一項對現代人生活極端重要的技術，就是電腦，或者更精確一些，在當時應稱為電子計算機。

「第十章:：雷達」

        ＜微波世界 ( 4 )＞……(續上)

        此外，很多大學教授在戰後用雷達做起天文研究來。早期有人改良了雷達，增加了功率及接收靈敏度，然後把月球當作一個目標，結果準確的量度了月球和地球間的距離。隨著接收器的靈敏度愈來愈高，有人發現很多星球散發著微弱的微波訊號。於是「電波天文學」應運而生。

        馬克士威告訴我們，微波和可見光其實是一樣的電磁波，只不過波長有異而已。一個熱的物體會放射出各種波長的電磁波來，包括微波。所以用微波來觀測星球，不過是用另一個肉眼看不到的「顏色」來觀察而已，而微波更適宜於觀測宇宙中低溫的物體和各種氣體的分布，大幅開拓了人類對宇宙的視野。在技術發展過程中，由於很多星球的訊號極度微弱，科學家把接收器的靈敏度提高到了一個前所未聞的境界。其中最大的創新是湯斯（Charles Townes）教授在1957年首次使用的「邁射」接收器，這個技術充分利用了量子力學裡的新理論，是雷射的先驅。幾年後，援用同樣的原理，第一個雷射就面世了。

        雷達是應戰爭的需要而大力發展出來的。在電子發展的歷史上，沒有哪一個項目有雷達的規模之大及發展速度之快。雷達改變了現代戰爭的面貌，而戰後雷達的推廣及應用，影響力更是超過任何人的預期。…… (完)